倒装式复合冲裁模装配车架

李文彬

摘 要：根据企业加工设备条件，研制了拖拉机车架切边冲孔复合模具。该模具在结构上采用斜刃冲、阶梯冲相结合来降低冲裁力，运用外置式弹压卸料及变间隙冲裁提高了模具的可靠性，主要工作零件结构设计采用浮动、快换、镶拼等，大大方便了模具制造和维修。

关键词：车架冲裁 斜刃 浮动凹模 弹压卸料

1. 设计背景

车架是轮式拖拉机上的主要零件之一，该零件的冲压加工，不同生产厂家根据其自身设备条件采用不同的工艺。 較普遍的方法是采用多道单工序冲压加工，即落料（切边）→冲孔→一次弯曲→二次弯曲→三次弯曲（校形）→冲长孔。这样工件生产工艺路线长，占用设备及模具较多。某厂对该制件的生产原来就是采用上述工艺，但企业满足上述6道工序加工的较大吨位压力机只有四台（6300kN一台、5000kN三台）。也就是说，一台设备上不能固定只完成某一工序而要兼顾2—3道工序，这样导致模具频繁更换、调试，制件加工工艺路线迂回，并且工件重复定位精度难以保证，使生产周期延长，制造成本偏高，成了整个拖拉机生产过程中的 “ 瓶颈”，严重制约了企业产量扩大和市场竞争力。

针对上述问题，在充分论证的基础上提出改进车架冲压工艺方案。通过工序合并将6道工序改为4道，把原前两道工序（落料、冲孔）合并为一道复合工序，并重新设计研制了其复合冲裁模具。

2. 装配方案

车架毛坯展开图。第一步复合工序加工内容包括：冲 17个圆孔；剪裁大、小头及一个侧边（另一侧边直接用下料时裁出的边并作为本工序定位基准）。

2.1 普通平刃口冲裁

对普通平刃口冲裁，则冲裁力为：

P=KπtL

上述公式当中：

K——安全系数，取为1.3

π——板料抗剪强度，MPa

T——材料厚度，mm

L——冲裁轮廓周长，mm

冲大、小端头及一侧边

P三边=1.3×373×4.5×（592+460+1432）

=5420 kN

冲17个圆孔

L=3.14×（50+120+2×61+45+4×11+4×13+2×15+22+14）

=1566.9 mm

P圆孔=1.3×1566.9×373×4.5=3419 kN

所以，同时冲17个孔及剪裁三边，总冲裁力为

P合=5420+3419=8839 kN

再加上卸料力、推件力，此总工艺力远超过了企业现有设备最大吨位6300kN。所以，不采取一定措施减小工艺力，工序合并是不可行的。

2.2 减小冲裁力的措施

冲裁加工中，减小冲裁力的方法可以有多种，如阶梯冲、斜刃冲、加热冲等。车架冲裁中，我们采取斜刃冲与阶梯冲相结合的办法。阶梯冲及斜刃冲时凸、凹模刃口部分的布置方式 （ 或形状）。

阶梯形配置冲孔凸模使各凸模冲裁力的最大值不同时出现，这样就能减小总的冲裁力。特别是在几个凸模直径相差悬殊、彼此距离又较近的情况下，采用阶梯形布置还能避免小直径凸模由于承受材料流动的挤压力而产生折断或倾斜的现象（此时应将小凸模做短一些）。 凸模间的高度差 ） 取决于材料厚度，斜刃冲即刃口端面做成倾斜状态进行冲裁。斜刃冲裁时刃口不是同时切入，而是逐步冲切材料，等于减少了同时剪切断面的面积A，因而能减小冲裁力。为了得到平整的零件，落料时应将凹模做成斜刃，凸模做成平口；冲孔时则应将凸模做成斜刃，凹模做成平口。设计斜刃时，还应注意将斜刃对称布置，以免冲裁时凹模承受单向侧压力而发生偏移，啃坏刃 口。刃口斜角ψ不宜太大，一般可按表1选用。

3.模具结构

在试验研究的基础上，我们设计的切边冲孔复合模结构如图1所示。

该模具采用四导柱滑动导向模架，倒装式结构。切三边凸、凹模均采用镶拼结构以节约模具钢材，并便于加工。为了满足机床要求，设计落料凹模刃口为波浪形斜刃，凸模设计为两种长度，采用分级阶梯冲裁的方式，有效地减小了冲裁力，达到了机床的应用要求。设计的凸模具有快换功能，凸模头部是阶梯刃口，尾部由圆柱面和螺纹构成。圆柱面起定位作用，螺纹旋合在固定板上起联接作用。加工中保证螺纹、圆柱面与刃口的同轴度，以保证冲孔时凸模与凹模的间隙均匀。其优点是生产中凸模折断时，不用拆开模具就可以非常方便及时地更换凸模。 落料间隙的保证，在无大型加工设备的情况下仅仅依靠加工精度同时保证复合模冲孔和落料的间隙一致比较困难。 并且不是整体式加工的模具，装配时必然存在一定的装配误差，影响模具间隙的一致性，调试模具间隙非常麻烦。该模具在设计中将落料凹模做成浮动式，装配时先调整冲孔凸模与冲孔凹模的间隙，再利用图5所示间隙调节装置8，采用内、外螺纹调整落料凹模与落料凸模的间隙。内、外两边螺纹旋紧后又对落料凹模同时起到推紧和拉紧的作用，固定了落料凹模的位置，保证了冲裁过程中间隙的稳定可靠。该结构可以降低对模具零件加工精度和装配精度的要求，消除装配误差，微调间隙精度可达到0.02mm，经实际使用效果非常理想。此外，落料凹模组件与上模座的装配只用螺钉联接，而不必使用固定销。如果需要调换或修理刃口，只要将螺钉拆下即可取出，不用打开整副模具，大大简化了模具维修。冲裁完毕，制件卡在上模中，采用外置式（橡皮）弹压卸料（外置可使弹性元件有较大的放置空间，便于调整卸料力，提高可靠性）。下模中冲孔废料采用下出料形式从凹模型孔直接漏下（漏出下模后横向导出），切边废料由操作者手工取出。

4. 模具特点

切边冲孔采用复合工序，加工工序集中，制件加工精度高，生产效率较原来提高近100%-；模具结构紧凑、合理、工作可靠，模具制造费用较原工艺降低70%（两副模具改为一副），经济效益显著；外置式弹压卸料使制件平面度误差由2mm降至1.2mm以下。不足之处是模具刃口采用斜刃阶梯组合式，造成刃口刃磨相对麻烦，模具制造及调试难度也有所增加。但落料凹模采用浮动式、冲孔凸模采用快换式以及设置间隙调节机构正是为了解决这些问题。

5. 模具难点

落料凸、凹模，冲孔凸、凹模均采用Cr12MoV钢，淬火硬度58～64HRC）。Cr族钢属莱氏体钢，其合金含量及碳含量均高，加工中很容易出现碳化物带状分布、显微组织不均匀现象，造成强度降低，塑性、韧性差，抗冲击能力下降，使模具出现掉块、裂纹、崩刃等。本模具试制过程中，我们改进了Cr12MoV钢锻造工艺，采用多向镦拔法，并适当提高锻造比，严格控制锤击力度及锻造温度，总镦拔次数控制在6～8次，总锻造比不小于15，保证网状碳化物偏析级别在1～2级。同时严格控制热处理操作规范，刃口硬度控制在：凸模58～62HRC、凹模60～64HRC，并且将材料内应力控制在尽量小的状态。

6. 结论

该模具模具结构合理，使用维修方便，所获得的制件精度稳定可靠，完全能够满足该企业生产纲领要求，能够给企业带来显著的经济效益，提高市场竞争力。

参考文献：

[1]朱邦相. 拼块模具结构的分析. 浙江万里学院学报， 1999

[2]辛育忠. 冲压工艺设计中的五方关系. 锻压机械. 2004